Leccin 3La estructura dinmica de la atmsfera

Meta

Dar a conocer los factores que afectan la circulacin atmosfrica, como la presinatmosfrica, el viento, las influencias friccionales, los frentes y las masas de aire.Explicar la influencia de las caractersticas topogrficas como la Tierra, el agua y lasmontaas en el movimiento del aire.

Objetivos

Al concluir esta leccin, estar capacitado para:

1. Nombrar y explicar tres fuerzas que determinan la direccin y la velocidad delviento dentro de la capa de friccin de la Tierra.

2. Explicar los cambios que produce la altura en la velocidad del viento y suimportancia para los estudios sobre la contaminacin del aire.

3. Describir el efecto de los sistemas de presin en el transporte de la contaminacin.

4. Identificar las dos propiedades principales de una masa de aire.

5. Distinguir cuatro tipos de frentes diferentes.

6. Explicar el fenmeno llamado entrampamiento frontal.

7. Explicar cmo influyen los diferentes tipos de terreno en el flujo del aire y, porconsiguiente, en la dispersin de la contaminacin.

Introduccin

Todos estamos familiarizados con las diferentes formas que puede adoptar la circulacinatmosfrica: brisas suaves, tormentas elctricas, huracanes, para mencionar unas pocas. El airese mueve a fin de equilibrar los desbalances de presin atmosfrica que causan las variacionesde la insolacin y el calentamiento diferencial. El calentamiento diferencial es la causa principalde la circulacin atmosfrica en la Tierra. En esta leccin se explicar por qu el viento sopladesde una determinada direccin y las causas de los patrones generales de circulacin del aire.Se observarn las diferencias de comportamiento entre los vientos en altura y los superficiales,y cmo influye la topografa de la Tierra en estos ltimos.

Circulacin atmosfrica

El aire se mueve a fin de equilibrar los desbalances de presin causados por el calentamientodiferencial de la superficie terrestre. A medida que se traslada de reas de alta presin a reasde baja presin, el viento es influido significativamente por la presencia o ausencia de lafriccin. Por consiguiente, los vientos superficiales se comportan de manera diferente que losvientos en altura debido a las fuerzas de friccin que actan cerca de la superficie terrestre. Larotacin de la Tierra modifica la circulacin atmosfrica pero no la produce, ya que,esencialmente, la atmsfera rota con la Tierra. El movimiento del aire ayuda a evitar que lasconcentraciones de los contaminantes liberados al aire alcancen niveles peligrosos.

Presin atmosfrica

A pesar de ser invisible, el aire tiene peso. Cualquier gas como el aire contiene molculas quese mueven en todas las direcciones y a grandes velocidades. En realidad, la velocidad dependede la temperatura del gas. La presin atmosfrica es causada por molculas de aire (porejemplo, oxgeno o nitrgeno) que chocan tanto entre s como con otros objetos y rebotan. Esfuncin del nmero de molculas atmosfricas en un determinado volumen y la velocidad a laque se desplazan. Cuando el aire est confinado dentro de ciertos lmites, el calentamientoaumenta su presin y el enfriamiento la disminuye. Cuando se confina en un espacio mspequeo, su presin aumenta pero disminuye cuando se expande en un espacio mayor.

En cualquier ubicacin, ya sea en la superficie terrestre o en la atmsfera, la presinatmosfrica depende del peso del aire de la capa superior. Imagine una columna de aire. Unacolumna de aire que se extiende a cientos de kilmetros sobre el nivel del mar ejerce unapresin de 1.013 milibaras (mb) (o 1,013 Kpa). Pero si sube en la columna a una altitud de5,5 km (18.000 pies), la presin atmosfrica ser aproximadamente la mitad o 506 mb (0,506Kpa).

La figura 3-1 indica las reas de presin alta y baja. Los ciclos concntricos alrededor de lasreas de mayor o menor presin se denominan isobaras, que son lneas de igual presin. Las

isobaras pueden seguir la forma de lneas rectas o de anillos a medida que rodean las reas depresin alta o baja. Las lecturas de presin en el diagrama oscilan entre 1.008 y 1.024milibaras (mb).

Figura 3-1. Isobaras alrededor de reas de presin alta y baja

Viento

El viento es el elemento bsico en la circulacin general de la atmsfera. Todos losmovimientos del viento, desde rfagas pequeas hasta grandes masas de aire, contribuyenal transporte del calor y de otras condiciones de la atmsfera alrededor de la Tierra. Ladenominacin de los vientos depende de la direccin de donde provienen. As, un vientodel norte es aquel que sopla de norte a sur y un viento del oeste es aquel que sopla deoeste a este. Cuando los vientos soplan con mayor frecuencia desde una direccin quedesde otra, esta recibe el nombre de viento prevalente.

La velocidad del viento aumenta rpidamente con la altura sobre el nivel del suelo mientrasque la carga de friccin disminuye. Por lo general, el viento no es una corriente constantesino conformada por rfagas con una direccin ligeramente variable, separada porintervalos. Las rfagas de viento que se producen cerca de la Tierra se deben a lasirregularidades de la superficie, lo cual crea remolinos. Los remolinos son variaciones de lacorriente principal del flujo del viento. Las irregularidades mayores se producen porconveccin o transporte vertical del calor. Estas y otras formas de turbulencia contribuyenal movimiento del calor, de la humedad y del polvo en el aire en altura.Fuerza de Coriolis

Si la Tierra no rotara, el aire se movera directamente de una presin alta a una presinbaja. Sin embargo, como lo hace, para una persona que observa desde la superficie del

planeta, se produce una aparente desviacin del aire. La fuerza de Coriolis causa unadesviacin del aire a la derecha en el hemisferio norte y a la izquierda en el hemisferiosur. Se trata de una fuerza aparente causada por la rotacin de la Tierra bajo la accindel movimiento del aire. Observado desde el espacio, este movimiento de aire (ocualquier movimiento libre de un objeto, para el caso) parece seguir una lnea recta.Pero para una persona que se encuentra en la Tierra, este movimiento aparenta habersedesviado.

La figura 3-2 ilustra la fuerza de Coriolis. Imagine un plato giratorio que rota sobre sueje central como la Tierra (figura 3-2a). Si sostiene una regla y traza una lnea recta atravs del disco giratorio, vera una lnea recta desde su posicin. Si este plato fuera laTierra, su posicin sera el espacio. Sin embargo, la lnea que trazara en el platogiratorio sera en realidad curva. Por consiguiente, desde un punto de vista giratorio, lalnea es desviada (figura 3-2c).

Figura 3-2. La fuerza de Coriolis

Lo mismo sucede cuando el viento sopla. Esta fuerza aparente en el viento:

Aumenta a medida que se incrementa la velocidad del viento

Permanece en ngulos rectos en relacin con la direccin del viento (vase la figura3-3)

Crece cuando la latitud aumenta (es decir, la fuerza es mayor en los polos y cero enel ecuador)

El efecto de esta fuerza de desviacin es que el viento parezca cambiar de direccin en

la Tierra. En realidad, esta se mueve en relacin con el viento. Como se muestra en lafigura 3-3, los vientos parecen desviarse hacia la derecha en el hemisferio norte y haciala izquierda en el hemisferio sur.

Figura 3-3. La desviacin de los vientos de gran escala en los hemisferios norte y sur

Fuerza del gradiente de presin

El viento se produce por la tendencia de la naturaleza a corregir las diferencias en lapresin atmosfrica. As, el viento soplar de las reas de presin alta a las de presinbaja. La presin que equilibra la fuerza que tiende a mover el aire de la presin alta a labaja se denomina fuerza del gradiente de presin.

El gradiente de presin es la tasa y la direccin del cambio de presin. Estrepresentado por una lnea trazada en los ngulos derechos de las isobaras, como semuestra en la figura 3-4. Cuando las isobaras se encuentran cerca, los gradientes soninclinados. El viento se mover ms rpidamente a travs de isobaras inclinadas. Losvientos son ms suaves cuando las isobaras estn ms alejadas porque la pendienteentre estas no es tan inclinada; por consiguiente, el viento no ejerce tanta fuerza.

Figura 3-4. Gradientes de presin

La figura 3-4 indica que el viento se desplaza de reas de presin alta a otras de presinbaja pero, debido a la fuerza de Coriolis (efecto de la rotacin de la Tierra), el viento nofluye paralelamente con el gradiente de presin. Adems, ntese que la direccin delviento superficial (lneas continuas) es diferente de la del viento superior (lneaspunteadas), a pesar de tener la misma fuerza de gradiente de presin. Esto se debe afuerzas de friccin.

Friccin

La friccin, la tercera fuerza principal que afecta al viento, empieza a actuar cerca de lasuperficie terrestre hasta que llega a altitudes aproximadas de 500 a 1.000 m. Estaseccin de la atmsfera se denomina capa lmite planetaria o atmosfrica. Por encimade esta capa, la friccin deja de influir en el viento. La fuerza de Coriolis y la delgradiente de presin se encuentran balanceadas por encima de la capa lmite planetaria.Como se indica en la figura 3-5, las fuerzas balanceadas que se producen por encima dela capa donde la friccin influye en el viento crean un viento que sopla paralelamentecon las isobaras. Este viento se denomina viento geostrfico. En el hemisferio norte,las presiones bajas se producirn a la izquierda del viento. En el hemisferio sur,suceder lo contrario.

Figura 3-5. Balance de fuerzas producidas por el viento geostrfico (hemisferio norte)

Dentro de la capa de friccin, la fuerza de Coriolis, la fuerza del gradiente de presin yla friccin ejercen una influencia sobre el viento. El efecto de la friccin sobre el vientoaumenta a medida que este se acerca a la superficie terrestre. Adems, mientras msaccidentada sea la superficie terrestre, mayor ser la influencia friccional. Por ejemplo,sobre una rea urbana el flujo de aire experimenta ms friccin que sobre una gran masade agua.

La friccin no slo disminuye la velocidad del viento sino que tambin influye en sudireccin. El efecto de la friccin sobre la direccin del viento se debe a la relacinexistente entre la velocidad del viento y la fuerza de Coriolis. Se debe recordar que estafuerza es proporcional a la velocidad del viento. Por lo tanto, a medida que esteexperimenta mayor friccin en altitudes progresivamente bajas dentro de la capa defriccin, su velocidad y la fuerza de friccin disminuyen. Con la friccin, la fuerza deCoriolis decrece en relacin con la fuerza del gradiente de presin; esta no equilibra lafuerza de Coriolis como lo hace con el viento geostrfico sobre la capa lmiteplanetaria. Al contrario, la fuerza del gradiente de presin predomina y desplaza elviento hacia la presin baja (vase la figura 3-6). La direccin del viento se dirige haciala presin baja hasta que el vector resultante de la fuerza friccional y la fuerza deCoriolis equilibran de manera exacta la fuerza del gradiente de presin. A medida quelas fuerzas friccionales aumentan, las direcciones del viento giran ms bruscamente

hacia la presin baja. Este cambio en la direccin del viento segn las diferentesaltitudes dentro de la capa de friccin se ilustra en la figura 3-7 y se denomina espiralde Ekman. El giro de la direccin del viento disminuye con la altura hasta que lafriccin deja de influir en el flujo del viento, como en el caso del viento geostrfico.

Figura 3-6. La fuerza de Coriolis acta con la friccin paraequilibrar la fuerza horizontal del gradiente de presin

Figura 3-7. La espiral de Ekman del viento en el hemisferio norte

El efecto de la friccin en el viento influye significativamente en el transporte de loscontaminantes del aire. Cuando una pluma de contaminantes del aire emerge de unachimenea, es probable que ascienda a travs de la capa lmite planetaria (o atmosfrica)donde la friccin cambia la direccin del viento con la altura. Esto la dispersarhorizontalmente en direcciones distintas. Adems, los contaminantes liberados endiferentes alturas de la atmsfera pueden moverse en direcciones diferentes.

Sistemas de presin

El movimiento horizontal del aire est determinado por muchas fuerzas. Los vientossuperficiales se desplazan en direccin contraria a las agujas del reloj alrededor de lossistemas de presin baja (ciclones) en el hemisferio norte. Este mismo balance de fuerzasconduce el aire en la direccin de las agujas del reloj alrededor de sistemas de presin alta(anticiclones) en el hemisferio norte, lo contrario sucede en el hemisferio sur. La figura 3-8muestra el flujo de aire relacionado con los sistemas de presin cercanos a la superficieterrestre. En el hemisferio norte, en los niveles superiores de la atmsfera donde seremueven las fuerzas friccionales, el aire se mueve en forma paralela con las isobaras, comose indica en la figura 3-5.

Figura 3-8.Flujo del aire superficial alrededor de sistemasde presin alta y baja en el hemisferio norte

Efectos del sistema de alta presin del Pacfico y del sistema de

presin alta de las Bermudas en la contaminacin del aire

La presencia de anticiclones subtropicales semipermanentes en los principales ocanosinfluye en la dispersin de la contaminacin del aire en diversas reas del mundo. Elsistema de presin alta del Pacfico y el de presin alta de las Bermudas constituyen dosejemplos de sistemas de presin alta de gran escala que afectan la calidad del aire enCalifornia del sur y el sudeste de Estados Unidos, respectivamente. Estos sistemas depresin alta son conocidos como semipermanentes porque cambian de posicin slo deverano a invierno. Se forman por el hundimiento del aire en la regin sobre las zonas decalmas subtropicales (aproximadamente 30 de latitud). El aire fro en altura(hundimiento) se comprime y calienta a medida que se hunde en estas reas de presinalta y establece una inversin de temperatura elevada. Esta ltima se produce cuandoexiste una capa de aire clido sobre una de aire fro, lo cual impide el movimientovertical del aire. El fondo de esta capa de inversin generalmente se aproxima a lasuperficie mientras ms se aleje del centro del anticicln. Para mayor informacin sobreinversiones en general e inversiones de subsidencia o de asentamiento en particular,remtase a la leccin 4.

Sistema de presin alta del PacficoEn el lado oriental de estos anticiclones semipermanentes, la capa de inversin esreforzada por el flujo del aire que se desplaza en la direccin de las agujas del relojalrededor del sistema de presin que atrae el aire del norte. El aire se enfra alentrar en contacto con el agua fra del ocano. Esta condicin afecta el rea deCalifornia del sur, que est ubicada en el lado oriental del sistema de presin altadel Pacfico. Las inversiones de temperatura, que limitan la mezcla vertical de loscontaminantes del aire, son comunes en esta rea. Por consiguiente, loscontaminantes del aire se pueden acumular en niveles peligrosos en la capasuperficial de la atmsfera bajo la capa de inversin.

Sistema de presin alta de las BermudasEn el lado occidental de los anticiclones permanentes, las condiciones son menosseveras. El movimiento del aire en la direccin de las agujas del reloj da lugar alflujo del viento de reas tropicales del sur, donde el aire es clido y hmedo. El aireque se asienta en estas reas de alta presin conduce a inversiones de temperaturaelevada pero la frecuencia y la fuerza de estas no son tan significativas como lasque influyen en las costas occidentales de los continentes debido a la adveccin delaire clido. Esta situacin es tpica en el sudeste de Estados Unidos, donde elsistema de presin alta de las Bermudas, situado en el ocano Atlntico, influye enel transporte y la dispersin de los contaminantes.

Circulacin general

La circulacin general representa el flujo promedio de aire alrededor del mundo. Como losvientos pueden variar ampliamente respecto del promedio en cualquier tiempo y lugar, elestudio de los patrones de flujo promedio del viento puede servir para identificar lospatrones predominantes de circulacin en ciertas latitudes y entender sus causas. Como seobserv en la leccin 2, la fuerza que impulsa la circulacin general es el calentamientoirregular de la superficie terrestre. Las regiones ecuatoriales reciben mucho ms energa delsol que las polares. Las variaciones horizontales de la temperatura atmosfrica, causadaspor el calentamiento irregular, determinan diferencias de presin que dirigen la circulacinatmosfrica.

Dada la complejidad de la circulacin mundial del aire, se empezar por estudiar un modelosimple que explica cmo sera dicho proceso sin las complicaciones causadas por larotacin de la Tierra y la irregularidad de su superficie. Si la Tierra no rotara y estuvieracompuesta por una superficie slida uniforme, se podra observar un modelo de circulacinmuy predecible del ecuador a los polos (vase la figura 3-9). El aire del ecuador, que recibems radiacin solar, sera mayor que el de los polos. Sera ms clido y ligero, y se elevaradebido a la conveccin. A medida que el aire ecuatorial clido se eleva, se producentormentas elctricas que liberan ms calor y hacen que el aire contine elevndose hasta

que llega a la capa superior de la atmsfera. En este punto, el aire empezara a moversehacia las regiones polares y se enfriara a medida que se traslade. En los polos, el aire frodenso descendera a la superficie y volvera a fluir hacia el ecuador. En el hemisferio norte,el flujo del aire cercano a la superficie estara siempre fuera del norte porque el aire msfro del polo norte remplazara al aire clido, ascendente desde el ecuador.

Figura 3-9.Circulacin planetaria hipottica del aire si la Tierrano rotara y si tuviera una superficie uniforme

Sin embargo, la Tierra rota, lo que complejiza este flujo relativamente simple de aire. Elefecto de Coriolis es un factor principal que explica los patrones reales del flujo del airealrededor de la Tierra.

A continuacin se explicar cmo acta la fuerza de Coriolis en la circulacin planetariadel aire. En el ecuador, el aire clido se eleva y muchas veces se condensa en grandesnubarrones y tormentas. De este modo, se desarrolla una banda de presin baja alrededordel ecuador. Estas tormentas elctricas liberan calor, que conduce el aire hacia partes msaltas de la atmsfera. All, el aire empieza a trasladarse lateralmente hacia los polos y seenfra a medida que se mueve. El aire empieza a convergir o reunirse a una alturaaproximada de 30 de latitud. La convergencia del aire hace que este se hunda o asiente enesta latitud. Esto determina la divergencia del aire en la superficie terrestre. A medida queel aire se hunde en esta regin, el cielo se muestra despejado y los vientos superficiales son

suaves y variables. Las latitudes de 30 se conocen como zonas de calmas subtropicalesporque era all donde se encalmaban los barcos de vela que viajaban al Nuevo Mundo. Eltrmino correspondiente en ingls es horse latitudes porque, segn la leyenda, cuandoescaseaban los alimentos y las provisiones, generalmente los tripulantes se coman a loscaballos o estos eran arrojados en esta regin.

De las zonas de calmas subtropicales, una parte del aire superficial regresa al ecuador.Debido al efecto de Coriolis, los vientos soplan desde el nordeste en el hemisferio norte ydesde el sudeste en el hemisferio sur. Estos vientos constantes se llaman vientos alisios.Como se puede observar en la figura 3-10, los vientos alisios convergen alrededor delecuador en una regin denominada la zona intertropical de convergencia (ZITC). Esteaire ecuatorial convergente se calienta y se eleva a lo largo del ciclo.

Figura 3-10. Circulacin atmosfrica general

En lugar de desplazarse hacia el ecuador, en las latitudes de 30 C, una parte del airesuperficial lo hace hacia los polos. La fuerza de Coriolis desva estos vientos hacia el esteen ambos hemisferios. Estos vientos superficiales soplan del oeste al este y se denominanvientos prevalentes del oeste o vientos del oeste en ambos hemisferios. Entre laslatitudes de 30 a 60, los sistemas mviles de presin y las masas de aire asociadas (que seabordarn posteriormente) ayudan a transportar la energa. La mayor parte del aire hmedode las regiones del sur se desplaza hacia el norte. Esta humedad se condensa y libera laenerga que ayuda a calentar el aire en las latitudes del norte.

En las reas que se encuentran entre las latitudes de 60 y los polos, prevalecen los vientospolares del este. Estos forman una zona de aire fro que sopla hacia el sudeste (hemisferiodel norte) y hacia el nordeste (hemisferio del sur) hasta que se encuentran con los del oeste,ms clidos. La interfaz entre los vientos polares del este y los del oeste es el frente polar,que se traslada a medida que ambas masas de aire se presionan entre s de un lado al otro.El frente polar viaja del oeste al este y ayuda al aire fro a desplazarse hacia el sur y al airehmedo y clido, hacia el norte (hemisferio del norte) y, de ese modo, transporta energacalorfica a las regiones polares. A medida que el aire hmedo y clido, caracterstico de losvientos del oeste, ejerce una presin sobre los del este, fros y ms secos, se desarrolla unclima tempestuoso. Por consiguiente, el frente polar generalmente est acompaado pornubes y precipitaciones.

Como se indica en la figura 3-10, las bandas ms estrechas de vientos de alta velocidad,conocidas como corrientes de chorro, se desarrollan cuando existen grandes diferenciashorizontales de temperatura. Si bien la corriente de chorro vara en tamao y fuerza,generalmente tiene entre 7,6 y 12,2 km (25.000 y 40.000 pies) sobre la Tierra, y susvelocidades oscilan entre 129 y 193 km (80 y 120 mph) segn la latitud y la estacin. Estosvientos de gran altitud afectan a los superficiales al mismo tiempo que ayudan a dirigirlos sistemas superficiales del clima. Si bien la direccin de la corriente de chorrogeneralmente es de este a oeste alrededor del globo, muchas veces desciende de norte a sural tiempo que sigue el lmite entre el aire clido y fro.

Masas de aire

Las masas de aire son fenmenos de escala macro, que cubren cientos de miles de kilmetroscuadrados y se extienden por miles de metros. Son volmenes de aire relativamentehomogneos con respecto a la temperatura y a la humedad, y adquieren las caractersticas de laregin sobre la que se forman y desplazan. Los procesos de radiacin, conveccin,condensacin y evaporacin condicionan la masa de aire a medida que se desplaza. Adems, loscontaminantes liberados en una masa de aire se desplazan y dispersan dentro de ella. Las masasde aire son ms frecuentes en ciertas regiones. Estas reas se conocen como regiones de origeny determinan la clasificacin de la masa de aire. Las masas de aire se clasifican como martimaso continentales segn tengan su origen en el ocano o la Tierra, y como rticas, polares otropicales segn la latitud de su origen. El cuadro 3-1 resume las caractersticas de las masas deaire. La figura 3-11 muestra las trayectorias tpicas de las masas de aire en Norteamrica. Lafrontera entre masas de aire con caractersticas diferentes se denomina frente. Un frente no esuna pared marcada sino una zona de transicin que muchas veces abarca varias millas. Losfrentes se describen posteriormente en esta leccin.

Figura 3-11. Trayectorias de las masas de aire en Norteamrica

Cuadro 3.1 Clasificacin de las masas de aire

Nombre Origen Propiedades Smbolortica Regiones polares Temperaturas bajas, pero con

humedad relativa alta de verano, lams fra de las masas de aire deinvierno

A

Polar continental* reas continentalessubpolares

Temperaturas bajas (crecientes con elmovimiento hacia el sur), pocahumedad, permanece constante

cP

Polar martima rea subpolar y regin rticaTemperaturas bajas, crecientes con elmovimiento, humedad alta

mP

Tropical continentalreas subtropicales depresin alta

Temperaturas altas, bajo contenido dehumedad

cT

Tropical martima Fronteras meridionales dereas ocenicassubtropicales de presin alta

Temperaturas altas moderadas,humedad alta especfica y relativa

mT

Nota: El nombre de una masa de aire, por ejemplo polar continental, se puede invertir acontinental polar pero el smbolo cP se mantiene para ambos casos.

La temperatura es una propiedad bsica de las masas de aire. La temperatura de una masa deaire depende de la regin donde esta se origina. Las masas rticas de aire son las ms fras, y las

tropicales, las ms clidas.

La humedad es la segunda propiedad bsica de una masa de aire. Desempea un papelsignificativo en el tiempo y en el clima, y generalmente se trata independientemente de losdems componentes del aire. En cualquiera de sus formas, la humedad atmosfrica es un factorde humedad, nubosidad, precipitacin y visibilidad. El vapor de agua y las nubes afectan latransmisin de la radiacin tanto hacia como desde la superficie terrestre. A lo largo delproceso de evaporacin, el vapor del agua tambin transporta calor latente al aire, lo cual le dauna funcin en el intercambio de calor (as como en el intercambio de humedad) entre la Tierray la atmsfera. El agua atmosfrica se obtiene por evaporacin pero se pierde por precipitacin.La atmsfera slo almacena una fraccin de minuto del agua terrestre bajo la forma de nubes yvapor. La cantidad neta de agua presente en la atmsfera al final de cualquier perodo para unadeterminada regin es una suma algebraica total de la cantidad almacenada en un perodoprevio, la ganancia por evaporacin, la ganancia o prdida por transporte horizontal y laprdida por precipitacin. Esta relacin expresa el balance hdrico de la atmsfera.

Frentes

Cuatro patrones de frentes clido, fro, ocluido y estacionario- se pueden formar por aire detemperaturas diferentes. El frente fro (figura 3-12) es una zona de transicin entre el aireclido y el fro, donde este ltimo se mueve sobre el rea previamente ocupada por el clido.Por lo general, los frentes fros presentan pendientes de 1:50 a 1:150, lo que significa que porcada kilmetro de distancia vertical cubierta por el frente, habr de 50 a 150 km de distanciahorizontal cubierta. El aumento de aire clido sobre un frente fro en avance y el enfriamientoexpansivo subsiguiente a este aire, conducen a nubosidades y precipitaciones de acuerdo con laposicin del frente superficial (el frente superficial es el punto en el que el frente en avanceentra en contacto con la Tierra).

Figura 3-12. Frente fro en avance

Los frentes clidos, por otro lado, separan el aire clido en avance del aire fro en retirada ypresentan pendientes del orden de 1:100 a 1:300 debido a los efectos de friccin del borde desalida del frente. La precipitacin generalmente se encuentra en el avance de un frente clido,como se puede observar en la figura 3-13.

Figura 3-13. Frente clido en avance

Cuando emergen frentes fros y clidos (y el frente fro se sobrepone al clido) se formanfrentes ocluidos (figura 3-14). Los frentes ocluidos pueden ser llamados oclusiones de frentesclidos o fros, como lo indica la figura 3-15. Sin embargo, cualquiera sea el caso, una masa deaire ms fra predomina sobre una no tan fra.

Figura 3-14. Frente ocluido

Figure 3-15. Oclusiones de frentes fros y clidos

Independientemente del tipo de frente ocluido que se aproxime, las nubes y precipitacionesresultantes de tal frente sern similares a las de un frente clido (figura 3-13). A medida que elfrente pasa, las nubes y la precipitacin se parecern a las de un frente fro (figura 3-12). As,por lo general es imposible distinguir cundo se aproxima un frente clido y cundo lo hace unoocluido. Las regiones en las que predominan los frentes ocluidos presentan pocas nubes,cantidades mnimas de precipitaciones y pequeos cambios diarios de temperatura.

El ltimo tipo de frente es el estacionario. Como su nombre lo indica, las masas de airealrededor de este frente no se encuentran en movimiento. Ser semejante al frente clido en lafigura 3-13 y producir condiciones climticas similares. En la figura 3-16, se muestra un mapacon un frente estacionario. Las abreviaturas cP y mT representan las masas de aire de los tipospolar continental y del tropical martimo. Un frente estacionario puede provocar malascondiciones climticas que persistan durante varios das.

Figura 3-16. Frente estacionario

Las reas migratorias de presin alta (anticiclones) y de presin baja (ciclones), as como losfrentes relacionados con estas ltimas son responsables de los cambios climticos diarios que seproducen sobre la mayora de las regiones de latitud media de la Tierra. Los sistemas de presinbaja de latitudes medias se forman a lo largo de superficies frontales que separan masas de aireprovenientes de fuentes distintas, con caractersticas diferentes en cuanto a la humedad y latemperatura. La configuracin de un sistema de presin baja est acompaada por la formacinde una onda en el frente, consistente en un frente clido y uno fro, ambos con un movimientocontrario a las agujas del reloj alrededor del sistema de presin baja. Este sistema se conocecomo cicln. La figura 3-17 muestra el ciclo de vida de un cicln tpico. Como se recordar, lostringulos indican los frentes fros, y los semicrculos, los clidos. Las cinco etapas presentadasaqu son:

1. Inicio de la circulacin ciclnica

2. Sector clido bien delimitado entre los frentes

3. Frente fro que se sobrepone al clido

4. Oclusin (fusin de los dos frentes)

5. Disipacin

Figura 3-17. La vida de un cicln

Entrampamiento frontal

Los sistemas frontales estn acompaados por inversiones. Las inversiones se producencuando el aire clido se eleva sobre el fro y entrampa al aire fro por debajo. Cuando seproducen estas inversiones, la circulacin del aire es relativamente escasa y el aire se estancatambin de manera relativa. Este entrampamiento frontal se puede producir ya sea con frentesclidos o con fros. Como por lo general un frente clido se desplaza ms lentamente que unofro y su superficie frontal se agita de manera ms gradual, el entrampamiento generalmenteser ms importante con un frente clido. Adems, las velocidades del viento de bajo nivel ysuperficial delante de un frente clido (dentro del sector entrampado) generalmente serninferiores a las velocidades del viento detrs de un frente fro. La mayor parte delentrampamiento frontal clido se producir de norte a oeste desde una determinada fuentecontaminante, y el entrampamiento frontal fro de sur a este desde la fuente.

Influencias topogrficas

Las caractersticas fsicas de la superficie terrestre se denominan rasgos del terreno otopografa. Los rasgos topogrficos no slo influyen en el calentamiento de la Tierra y del aireque la rodea sino tambin en el flujo del aire. Los rasgos del terreno, como se podra esperar,afectan sobre todo el flujo del aire relativamente cercano a la superficie terrestre. Como seindica en la figura 3-18, estos rasgos se pueden agrupar en cuatro categoras: plano,montaa/valle, tierra/agua y reas urbanas.

Figura 3-18. Topografa

Los rasgos topogrficos afectan la atmsfera de dos maneras, como se muestra en la figura 3-19: trmicamente (a travs del calor) y geomtricamente (o mecnicamente). La turbulenciatrmica se produce por el calentamiento diferencial. Los objetos emiten calor en tasasdistintas. Por ejemplo, un rea con pasto no tendr capacidad de absorcin y, en consecuencia,liberar tanto calor como una playa de estacionamiento asfaltada. La turbulencia mecnica escausada por el viento que fluye sobre objetos de tamaos y formas diferentes. Por ejemplo, elflujo del viento que rodea un edificio ser diferente del de un maizal.

Figura 3-19. Los efectos topogrficos en el calor y en flujo del viento

Terreno plano

Si bien una pequea parte de la superficie terrestre es completamente plana, algunas reas seconsideran como planas para propsitos topogrficos. En esta categora estn incluidos losocanos, aunque tienen una textura de superficie, y los rasgos ligeramente ondulantes delterreno (figura 3-20)

Figura 3-20. Terreno plano

La turbulencia del viento sobre un terreno plano est limitada a la cantidad de accidentes de lasuperficie, ya sean naturales o hechos por el hombre. El cuadro 3-2 presenta una lista de loselementos superficiales, desde los rasgos de superficies lisas con poca influencia friccional hastalos rasgos accidentados con amplia influencia friccional.

Cuadro 3-2. Ejemplos de diferentes superficies accidentadas(enumeradas en orden de muy lisas a muy accidentadas)

Llanura arcillosa, hieloMar en calmaArenaPlanicie, cubierta de nieveCsped cortadoCsped bajo, estepaTerreno plano y en barbechoCsped altoBosques con rboles bajosBosques con rboles altosAfueras de la ciudadCiudad

Fuente: Drake, R.L. y otros, 1979.

Estos rasgos inducen un efecto friccional en la velocidad del viento y producen el conocidoperfil del viento con altura (figura 3-21). La figura 3-21 indica que la velocidad del vientoaumenta con la altitud en cada uno de los tres tipos de terrenos representados. Las reasurbanas con construcciones densas y edificios altos ejercen una fuerza friccional grande sobre elviento haciendo que disminuya, cambie de direccin y se haga ms turbulento. Porconsiguiente, los vientos de gradiente (esto es, los que no se ven afectados por la friccin)alcanzan mayores altitudes cuando se producen sobre reas urbanas que cuando lo hacen sobreel nivel del suelo.

Figura 3-21. Ejemplos de la variacin del viento segn la altura sobre superficies condiferentes rasgos topogrficos (las figuras son porcentajes de los vientos degradiente).

Fuente: Turner, 1970.

La turbulencia trmica sobre un terreno plano se debe a rasgos naturales o producidos por elhombre. Por ejemplo, el agua no se calienta tan rpidamente durante el da pero el concreto lohace excepcionalmente bien. Durante la noche, el concreto libera grandes cantidades de calor alaire, el agua no. El aire se eleva sobre los objetos calentados en cantidades variables (figura 3-22). Como se observ en la leccin 2, el fenmeno que se presenta cuando el aire se eleva sellama conveccin.

Figura 3-22. Calentamiento diferencial

Montaa/valle

El segundo tipo es el terreno con montaas y valles. Esta combinacin, representada en lafigura 3-23, tambin se denomina terreno complejo.

Figura 3-23. Terreno complejo con montaas y valles

Los investigadores de la contaminacin del aire concuerdan en que la dispersin atmosfrica enlos terrenos complejos puede ser muy diferente y mucho ms complicada que en los terrenosplanos. Los efectos del terreno complejo en la dispersin atmosfrica han sido investigados enmodelos de fluidos y por medio de experimentos de campo.

La turbulencia mecnica en terrenos con montaas y valles siempre depende del tamao, laforma y la orientacin de los rasgos. Las numerosas combinaciones de terrenos montaosos ocon valles incluyen una sola montaa sobre un terreno plano, un valle profundo entre montaas,un valle en terreno plano o una cordillera. Sin embargo, como se indica en la figura 3-24, el airetiende a elevarse sobre un obstculo que se presenta en su camino y una parte trata de abrirsepaso por los diferentes lados. Si una inversin de temperatura elevada (aire clido sobre airefro) cubre la mayor elevacin, entonces el aire tratar de encontrar su camino por los costadosde la montaa. Cuando el flujo de aire es bloqueado, se produce un entrampamiento orecirculacin del aire. Durante la noche, los cerros y las montaas producen flujos de vientosdescendientes porque el aire es ms fro en grandes elevaciones. Por lo general, los vientosdescendientes son ligeros. Sin embargo, bajo condiciones correctas, se pueden producir vientosms rpidos.

Figura 3-24. Flujo de viento sobre y alrededor de las montaas

La turbulencia trmica en un terreno con montaas y valles tambin guarda relacin con eltamao, la forma y la orientacin de los rasgos. Si bien no es posible explicar todas lascombinaciones, se pueden presentar algunas generalidades. Las montaas y los valles secalientan de manera desigual debido al movimiento del sol en el cielo (figura 3-25). Por lamaana, el sol calienta e ilumina un lado de una montaa o valle. El otro lado todava estaoscuro y fro. El aire se eleva sobre el lado iluminado y desciende sobre el oscuro. Al medioda,cae sobre ambos lados y los calienta. Al final de la tarde, la situacin es similar a la de lamaana. Despus de la oscuridad, a medida que el aire se enfra debido al enfriamiento radial, elaire desciende al valle desde las colinas ms altas.

La figura 3-26 muestra vientos descendentes y ascendentes que se producen durante el da y lanoche, respectivamente. En el caso de un valle, los vientos descendentes se pueden producir enlas pendientes opuestas del valle, lo que determina que el aire fro y denso se acumule odeposite en el suelo. Este aire fro se puede descender hacia el valle y causar el movimiento delaire debido al drenaje de aire fro. Adems, como el aire fro desciende al suelo del valle, el aireen altura se vuelve ms clido. Esto da lugar a una inversin de temperatura que restringe eltransporte vertical de los contaminantes del aire (fenmeno discutido en la leccin 4).

Figure 3-25. Turbulencia trmica en el valle (el aire se eleva cuando la Tierra se ilumina)

Figura 3-26. Variaciones diurnas en el flujo del viento en montaas yvalles debido al calentamiento solar.

Adems, los vientos de un valle estn encadenados debido a su forma. Los vientos soplanpredominantemente hacia la parte superior o hacia la parte baja del valle. Esto puede conducir aconcentraciones altas de contaminantes del aire en el suelo debido a que la geometra del vallerestringe las variaciones en la direccin del viento.

El otro efecto del calentamiento se debe a las caractersticas del suelo. Las reas cubiertas porrboles se calentarn menos que las pendientes rocosas o los terrenos llanos. Para interpretar elefecto producido en un terreno complejo es importante tener un conocimiento detallado de lasreas especficas que lo conforman.

Tierra/agua

El tercer tipo de terreno es una interfaz de Tierra/agua (figura 3-27). En parte debido a lacomodidad, muchas ciudades grandes estn ubicadas cerca de cuerpos de agua. La tierra y elagua no slo presentan superficies con accidentes de diferentes caractersticas, sino tambindistintas propiedades de calentamiento. Puede ser muy difcil predecir el flujo del aire y, por lotanto, la dispersin y el transporte de las plumas en este caso.

Figura 3-27. Turbulencia trmica en la interfaz Tierra/agua

Las propiedades trmicas de la Tierra y el agua son radicalmente diferentes. La tierra y losobjetos que se encuentran sobre ella se calentarn y enfriarn rpidamente; el agua lo hacelentamente. Las temperaturas del agua no varan mucho de un da a otro o de una semana aotra. Experimentan cambios estacionales, con un retraso mximo de 60 das. Por ejemplo, lastemperaturas ocenicas ms clidas se producen desde fines del verano hasta inicios del otoo ylas ms fras, desde fines del invierno hasta inicios de la primavera.

Mientras el sol brilla sobre la interfaz Tierra/agua, la radiacin solar penetra varios pies a travsdel agua. Por otro lado, la radiacin solar que cae sobre la Tierra slo calentar las primeraspulgadas. Adems, mientras el sol brilla sobre la superficie acutica, se produce la evaporaciny cierto calentamiento. La capa delgada del agua cercana al aire se enfra debido a laevaporacin y se mezcla con la pequea capa superficial calentada. Esta mezcla mantiene latemperatura del agua relativamente constante. Por otro lado, las superficies de la Tierra secalientan rpidamente, lo que hace que el aire adyacente se caliente, se haga menos denso y seeleve. El aire fro sobre el agua es atrado Tierra adentro. Es lo que se conoce como brisamarina (figura 3-28). Por la noche, el aire que est sobre la Tierra se enfra rpidamentedebido al enfriamiento radial, que hace que la temperatura de la Tierra disminuya msrpidamente que la del cuerpo adyacente de agua. Esto crea un flujo de retorno llamado brisaterrestre (figura 3-29). Las velocidades del viento en una brisa terrestre son ligeras; mientrasque las velocidades del viento en el mar pueden ser muy aceleradas. La presin diferencialsobre la tierra y el agua causa las brisas marinas. Con estas (durante el da), la presin sobre la

Tierra calentada es menor que la presin sobre el agua ms fra. En cambio, con las brisasterrestres (durante la noche) ocurre lo contrario.

Figura 3-28. Brisa marina causada por el calentamiento diferencial

Figura 3-29. Brisa terrestre causada por el calentamiento diferencial

Los accidentes de la Tierra y el agua tambin son diferentes (figura 3-30). La superficie delagua es bastante sensible al flujo del aire. A medida que aumenta la velocidad del viento, lasuperficie del agua se altera y se forman olas. Cuando los vientos fuertes causan olas, lasuperficie del agua deja de ser tan calma como cuando haba viento ligero. Sin embargo, elagua es an ms suave que la mayora de los rasgos de la Tierra. Debido al cambio del agua -relativamente suave- a la accidentada tierra, el flujo del aire cambia de direccin con lacreciente influencia friccional (mayor turbulencia). La magnitud del cambio de direccindepende de la del contraste de accidentes en la superficie.

Figura 3-30. Turbulencia mecnica en la interfaz Tierra/agua.

reas urbanas

Las reas urbanas presentan accidentes adicionales y caractersticas trmicas diferentes debido ala presencia de elementos hechos por el hombre. La influencia trmica domina la de loscomponentes friccionales (figura 3-31). Materiales de construccin como el ladrillo y elconcreto absorben y retienen el calor de manera ms eficiente que el suelo y la vegetacin delas reas rurales. Cuando el sol se pone, el rea urbana contina irradiando calor desde losedificios, las superficies pavimentadas, etc. El aire que este complejo urbano calienta, asciendey crea un domo sobre la ciudad. Este fenmeno se llama efecto de la isla calrica. La ciudademite calor durante toda la noche. Recin cuando el rea urbana empieza a enfriarse, sale el soly empieza a calentar el complejo urbano nuevamente. Por lo general, debido al continuocalentamiento, las reas urbanas nunca recobran condiciones estables.

Figura 3-31. Turbulencia trmica y mecnica de las ciudades

La turbulencia mecnica sobre las reas urbanas es muy parecida a la que se produce en unterreno complejo. Los edificios, separados y en conjunto, alteran el flujo del aire: mientras msaltos sean, ms aire se distribuye. Adems, las reas pblicas canalizan y dirigen el flujo demaneras intrincadas. As como es imposible predecir detalles exactos sobre superficies conmontaas y valles, se carece de una descripcin exacta del flujo en las reas urbanas.

Ejercicio de revisin

1. El calentamiento del aire su presin.

a. Aumentab. Disminuye

2. Las lneas que representan puntos de igual presin se llaman _________________________ .

3. Debido a la rotacin de la Tierra, la fuerza de Coriolis hace que el viento parezca girar haciala en el hemisferio norte.

a. Derechab. Izquierda

4. En realidad, en relacin con la fuerza de Coriolis, el viento sigue un camino _________mientras que la Tierra rota.

a. Curvob. Recto

5. Los vientos fuertes estn relacionados con isobaras espaciadas _______________________ .

6. La pendiente entre las isobaras refleja la _________________________________________ .

7. El viento geostrfico:

a. Se produce sobre la capa lmite planetaria.b. Sopla perpendicularmente a las isobaras.c. Es influido por la friccin.d. Slo a y b.e. a, b y c.

8. La seccin de la atmsfera ms cercana a la superficie terrestre donde la friccin influye en elviento se denomina capa __________________ _________________ .

9. Cul de las siguientes afirmaciones sobre la relacin entre la friccin y el efecto de Coriolises correcta?

a. A medida que la friccin aumenta, el efecto de Coriolis sobre la direccin del vientodisminuye.

b. A medida que la friccin aumenta, el efecto de Coriolis sobre la direccin del viento

aumenta.c. No existe ninguna relacin entre la friccin y el efecto de Coriolis sobre el viento.

10. El cambio en la direccin del viento en altitudes diferentes dentro de la capa de friccin sedenomina ___________________ _____________________ ___________________ .

11. En el hemisferio Sur, la direccin del flujo del aire alrededor de un cicln es ________ .

a. En direccin de las agujas del reloj.b. En direccin contraria a las agujas del reloj.

12. El flujo de aire de la superficie en un rea de baja presin _________________________ .

a. Convergeb. Diverge

13. Verdadero o falso? El aire convergente en el ecuador se denomina zona de convergenciaintertropical.

a. Verdaderob. Falso

14. Las bandas de vientos de alta velocidad en la atmsfera superior se denominan: _______ .

15.Los frentes generalmente separan _____________________ __________________ .

16.La uniformidad de una masa de aire se basa en dos caractersticas fsicas. Cules son?

___________________________________.

17.Los nombres de las masas de aire surgen de las regiones de donde provienen, segn su origenen _______________________ o y su _______________ .

18. Mencione dos masas de aire de la Tierra.

___________________________________. .

19. Los frentes avanzan como una cua empinada de aire.

a. Clidosb. Frosc. Ocluidos

20. Los frentes separan el aire clido en avance del aire fro en retirada.

a. Clidosb. Frosc. Ocluidos

21. Por lo general, los frentes presentan nubes y precipitaciones que siguen laposicin del frente superficial.

a. Clidosb. Fros

22. La precipitacin generalmente se encuentra en el avance de un frente ________________ .

a. Clidob. Ocluidoc. Estacionariod. Clido, ocluido o estacionario

23. Vincule los siguientes smbolos con los frentes que representan.

Ocluido Clido Estacionario Fro

24. Verdadero o falso? El entrampamiento frontal generalmente es peor con frentes clidos quecon frentes fros porque los primeros generalmente se mueven ms lentamente y sussuperficies se inclinan de manera ms gradual.

a. Verdaderob. Falso

25. Verdadero o falso? La friccin no afecta a los vientos de gradiente.

a. Verdadero

b. Falso

26. Verdadero o falso? Las reas urbanas presentan accidentes adicionales en sus superficiesdebido a la presencia de elementos hechos por el hombre.

a. Verdaderob. Falso

Respuestas del ejercicio de revisin

1. a. Aumenta

El calentamiento del aire aumenta su presin.

2. Isobaras

Las lneas que representan puntos de presin igual se llaman isobaras.

3. a. Derecha

Debido a la rotacin de la Tierra, la fuerza de Coriolis hace que el viento parezca girar haciala derecha en el hemisferio norte.

4. b. Recto

En realidad, en relacin con la fuerza de Coriolis, el viento sigue un camino recto mientras laTierra rota.

5. cercanas

Los vientos fuertes estn relacionados con isobaras espaciadas cercanas.

6. Gradientes de presin

La pendiente entre las isobaras refleja el gradiente de presin.

7. a. Se produce sobre la capa lmite planetaria

El viento geostrfico se produce sobre la capa lmite planetaria. Este sopla paralelamente a lasisobaras.

8. Capa lmite planetaria (o capa lmite atmosfrica)

La seccin de la atmsfera ms prxima a la superficie terrestre donde la friccin influye en elviento se denomina capa lmite planetaria o atmosfrica.

9. a. A medida que la friccin aumenta, disminuye el efecto de Coriolis sobre ladireccin del viento.

A medida que la friccin aumenta, la velocidad del viento disminuye. Esto se explica porquela fuerza de Coriolis es proporcional a la velocidad del viento; as, cuando el efecto de

Coriolis sobre la direccin del viento disminuye, la velocidad del viento tambin lo hace.

10. Espiral de Ekman

El cambio en la direccin del viento en altitudes diferentes dentro de la capa de friccin sedenomina espiral de Ekman.

11. a. En direccin de las agujas del reloj

En el hemisferio Sur, el flujo del aire alrededor de un cicln es en direccin a las agujas delreloj.

12. a. Converge

El flujo de aire de la superficie en un rea de baja presin converge.

13 a. Verdadero

El aire convergente en el ecuador se conoce como zona de convergencia intertropical.

14. Corrientes de chorro

Las bandas de vientos de alta velocidad en la capa superior de la atmsfera se denominancorrientes de chorro.

15. Masas de aire

Los frentes generalmente separan las masas de aire.

16. TemperaturaHumedad

La uniformidad de una masa de aire se basa en dos caractersticas fsicas: la temperatura y elcontenido de humedad.

17. TierraMarLatitud

Los nombres de las masas de aire surgen de las regiones de donde provienen, segn el origenen la tierra o el mar y segn su latitud.

18. Continental polar

Continental tropical

Las masas de aire de Tierra firme son continental polar (cP) y continental tropical (cT).

19. b. Fro

Los frentes fros avanzan como una cua empinada de aire.

20. a. Clido

Los frentes clidos separan el aire clido en avance del aire fro en retirada.

21. b. Fro

Por lo general, los frentes fros presentan nubes y precipitaciones que siguen la posicin delfrente superficial.

22. d. Clido, ocluido o estacionario

La precipitacin generalmente se encuentra en el avance de un frente clido, ocluido oestacionario.

23. a. Frob. Clidoc. Ocluidod. Estacionario

24. a. Verdadero

El entrampamiento frontal generalmente es peor con frentes clidos que con frentes frosporque los primeros se suelen mover ms lentamente y sus superficies se inclinan de manerams gradual.

25. a. Verdadero

La friccin no afecta a los vientos de gradiente.

26. a. Verdadero

Las reas urbanas presentan accidentes adicionales en sus superficies debido a la presencia deelementos hechos por el hombre.

Bibliografa

Drake, R.L. y otros, 1979. Mathematical Models for Atmospheric Pollutants. EA-1131.Preparado

para el Electric Power Research Institute.

Houghton, D.D., 1985. Handbook of Applied Meteorology. Nueva York: John Wiley & Sons.

Demillio, R., 1994. How Weather Works. Emeryville, California: Ziff David Press.

Stern, A.C. y otros, 1984. Fundamentals of Air Pollution. 2da. Edicin. Nueva York: AcademicPress.

Turner, D.B., 1970. Workbook of Atmospheric Dispersion Estimates. EPA AP-26. U.S.Environmental Protection Agency.

Williams, J., 1992. The Weather Book. USA Today. Nueva York: Random House.